多向扰流强化换热管传热与阻力性能试验研究

胡志明， 袁益超， 刘聿拯

（1.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海200093；2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海200093）

由于具有传热性能好、加工方便和制造成本低等优点，螺纹管是国内外电厂凝汽器中广泛应用的强化换热管型［1－2］.然而传统的单向螺纹管表面螺纹呈弹簧状，弹簧效应会降低管子的抗振性能［3］，对汽轮发电机组的安全运行构成了一定威胁.因此，迫切需要开发一种能将换热强化和机械强化有效结合的换热管，不锈钢多向扰流强化换热管（以下简称多向扰流管）正是在这种背景下产生的.多向扰流管管壁的螺纹交叉呈网状，这种结构相当于工字钢的筋板，可以加强管子的轴向和径向刚度，使同样壁厚的管子具有更高的抗振性能［3］.此外，由于不锈钢管具有耐腐蚀、耐冲蚀及强度高等特点［4］，因此多向扰流管在电厂凝汽器中具有广阔的应用前景.

目前，对于凝汽器强化换热管传热性能的研究主要针对单向螺纹管和横纹管［5－8］，尚未发现关于多向扰流管的研究报道.虽然多向扰流管已应用于国内一些电厂凝汽器的改造项目［9－12］，但在这些改造项目中，通常只是对强化换热管的螺距、槽深等结构参数进行调整，以实现等泵功率改造［3］，降低改造费用，而未对其传热性能进行系统研究，无法为多向扰流管在凝汽器中的应用提供设计依据.凝汽器内换热管的传热性能受管型、结构参数、管束布置方式、蒸汽压力和湿度等因素影响，所以系统地研究凝汽器运行工况下，多向扰流管的传热性能对其工程实际应用具有重要意义.由于蒸汽在多向扰流管束中的凝结换热过程非常复杂，因此无法从理论上对其进行求解，只能通过试验获得.为此，笔者根据电厂凝汽器的运行工况，以湿蒸汽和冷却水作为介质，对多向扰流管的传热与阻力性能进行试验研究，以期为多向扰流管的结构优化和工程应用提供依据.

1 试验系统及数据处理方法

1.1 试验系统及试件

以电厂凝汽器强化传热为研究背景，重点研究蒸汽凝结条件下多向扰流管管束的传热和阻力性能.在对电厂凝汽器冷却管束凝结换热机理分析的基础上，设计了如图1所示的试验系统.

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

为了准确测量蒸汽的质量流量，由燃油蒸汽锅炉产生的饱和蒸汽首先经节流降压为过热蒸汽.过热蒸汽经流量、压力、温度测量后再进入减温器进行减温减压，使其达到试验要求的压力（10kPa）和湿度（7.7%），用来模拟汽轮机排汽.进入筒体的蒸汽由上往下横向冲刷试件内的换热管束，被管内的冷却水冷凝后沉积于筒体下部.试验用的冷却水由自来水和试件出口冷却水的一部分回水混合后获得，可通过调节自来水和冷却水回水的比例，达到试验要求的冷却水入口温度（33.1 ℃）.此外，为了尽可能减小不凝结气体对试验的影响，需在试验过程中不断抽出不凝结气体.

试验过程中，过热蒸汽和凝结水温度采用精度为A 级的Pt100铂电阻测量；试件内冷却水入口、出口温度和减温水入口、出口温度采用二等标准水银温度计测量.冷却水和减温水流量采用精度分别为0.2级和0.5级的涡轮流量计测量；过热蒸汽流量采用精度为1级的漩涡流量计测量.试件入口蒸汽压力采用精度为0.2级的3151型绝对压力变送器测量；冷却水流阻采用精度为0.2级的1151型差压变送器测量.流量、压力仪表反馈的4～20mA 标准电流信号被ADAM4118 模块采集，铂电阻的电阻信号被ADAM4015 模块采集.所有采集的信号经ADAM4520 模块转换后输入计算机，由数据采集程序实时采集.

为了对比多向扰流管与光管在传热和阻力性能方面的差异，模拟凝汽器的运行工况，对3种不同结构的换热管进行传热与阻力试验.试件结构如图2所示，主要包括换热管束、水室及管板.试件内换热管水平布置，采用间距为32mm 的等边三角形排列方式，沿蒸汽流动方向（纵向）错列布置32排，横向交替布置（4根或3根），合计112根.试件内冷却水共8个流程，即14根换热管并联作为一个流程.

试件采用不锈钢换热管，所有换热管外径为25 mm、壁厚为0.5 mm，其中1号试件的换热管为光管；2号和3号试件的换热管为多向扰流管，二者槽深均为0.4mm，螺距分别为30mm 和27mm.

图2 试件结构示意图Fig.2 Structural diagram of the experimental tube panel

1.2 数据处理方法及误差分析

1.2.1 总传热系数计算

试验过程中，蒸汽凝结放热量Qs和冷却水吸热量Qw分别为

式 中：qm，s、qm，w 分 别 为 蒸 汽 和 冷 却 水 的 质 量 流 量；iin、ic分别为试件入口蒸汽和凝结水的比焓；cp，w为冷却水平均比定压热容；t′w、t″w分别为冷却水入口、出口温度.

当蒸汽凝结放热量与冷却水吸热量之间的相对误差小于±3%时，认为工况稳定，此时可以采集试验数据.试验过程中，真空泵在不断抽出不凝结气体的同时不可避免地会抽出一部分蒸汽，为了减小试验误差，总传热量Q 按冷却水吸热量Qw计算.

以不同试件的总传热系数表征换热管的传热性能，由传热学基本原理，试件的总传热系数为

式中：A 为传热面积，按换热管外侧总传热面积计算［13］；Δt［13］为试件传热温压.

式中：ts为试件入口饱和蒸汽温度，由试件入口蒸汽压力确定.

1.2.2 沿程阻力计算

对于本试验，试件的冷却水流阻由2部分组成：一是换热管内的摩擦损失，即沿程阻力；二是冷却水进、出水室的损失，即管端损失［13］.管端损失主要取决于换热管内的冷却水流速及水室结构［13］.3个试件的水室采用完全相同的结构，因此，可以认为同一冷却水流速工况下3个试件的管端损失相同.

试验中管内冷却水Re 范围为4.9×104～7.8×104，因此，对于光管试件，其管内阻力系数可按布拉修斯公式计算，进而根据达西公式可得到不同工况下光管试件的管内冷却水沿程阻力Δps，再由光管试件的冷却水总阻力ΣΔps减去冷却水的沿程阻力，可得试件在不同工况下的管端损失Δpt.

对于多向扰流管试件，由冷却水总阻力ΣΔpm减去管端损失Δpt，可得不同工况下管内冷却水的沿程阻力Δpm.本文以换热管内冷却水的沿程阻力Δpm来表征多向扰流管的阻力性能.

1.2.3 误差分析

由于设备、仪表、环境等客观因素的影响，试验中不可避免地存在系统误差.根据误差传递理论，间接测量量F 的相对误差ξF 与各直接测量参数Xi（i＝1～n）的关系为

试验系统误差主要包括冷却水入口、出口温度t′w和t″w、入口饱和蒸汽温度ts、传热温压Δt、冷却水和蒸汽质量流量qm，w和qm，s、总传热量Q、总传热系数K 以及冷却水沿程阻力Δpm的相对误差.根据试验过程中所涉及仪表的精度，各参数的相对误差如表1所示.

表1 试验各参数的相对误差Tab.1 Relative errors for different parameters %

2 试验结果及分析

2.1 冷却水流速及换热管结构对传热性能的影响

图3为多向扰流管试件与光管试件的传热性能对比.由图3可知：

（1）3个试件的总传热系数均随冷却水流速w的增大而增大.这主要是因为冷却水流速增大使管内冷却水的扰动增强，湍流度增大，破坏并减薄了边界层；此外，冷却水流速增大使试件的总传热量增大，为了维持试件入口蒸汽参数（压力、湿度）不变，蒸汽质量流量将增大、流速将增加，蒸汽对管外凝结液膜的黏滞作用加强，液膜厚度被拉薄［14］.

图3 冷却水流速及换热管结构对总传热系数的影响Fig.3 Effects of cooling water flow and tube structure on heat transfer coefficient of the tube panel

（2）多向扰流管具有显著的强化传热性能，在试验工况范围内，与采用光管的1号试件相比，采用多向扰流管的2号和3号试件的总传热系数平均分别增大约13.8%和14.8%.其强化传热的机理是：管内的网状螺纹凸起增强了对冷却水的扰动，减薄了传热边界层厚度；管外的网状凹槽成为排泄凝结液的通道，使换热管表面凝结液膜变薄，在凹槽内凝结液表面张力的作用下，换热管表面液膜厚度会进一步减薄.

（3）3号试件的传热性能稍优于2号试件，这是因为3号试件所采用的多向扰流管的螺距更小.在相同冷却水流速条件下，螺距小的多向扰流管一方面对管内冷却水的扰动更剧烈；另一方面管外螺纹凹槽内凝结液表面张力作用更明显，换热管外表面液膜平均厚度更薄［5］.因此，在相同冷却水流速条件下，3号试件的传热性能更好.

2.2 冷却水流速及换热管结构对阻力性能的影响

图4为多向扰流管试件和光管试件的阻力性能对比.由图4可知，在试验工况范围内，与采用光管的1号试件相比，2号和3号试件的沿程阻力平均分别增大约8.7%和10.7%，且螺距小的3号试件的沿程阻力更大，比2号试件增大约1.8%.这是因为多向扰流管内壁的网状螺纹凸起增强了对冷却水的扰动，因此流动阻力比光管大；而在相同工况下，螺距小的多向扰流管对冷却水的扰动作用更加剧烈，因此冷却水流动阻力也更大.

2.3 多向扰流管传热与阻力计算公式

根据多向扰流管试件的传热性能试验结果，采用最小二乘法拟合得到了多向扰流管总传热系数K 关于冷却水流速和结构参数p／di（螺距／内径）的计算公式：

图4 冷却水流速及换热管结构对沿程阻力的影响Fig.4 Effects of cooling water flow and tube structure on flow resistance of the tube panel

上式适用范围如下：1.125≤p／di≤1.25，w＝1.4～2.2m／s，与试验结果的相对误差不超过±5%.

根据管内阻力试验结果，拟合得到了单位长度多向扰流管的沿程阻力Δp′关于冷却水流速w 和结构参数p／di（螺距／内径）的计算公式：

上式适用范围与式（6）相同，与试验结果的相对误差不超过±5%.

3 结 论

（1）蒸汽凝结条件下的管束传热试验表明，多向扰流管具有显著的强化传热性能.在试验工况范围内，与采用光管的1号试件相比，采用多向扰流管的2号和3 号试件的总传热系数平均分别增大约13.8%和14.8%，且槽深相同条件下，螺距小的多向扰流管的传热性能更好.

（2）在试验工况范围内，与光管相比，2号和3号试件的流动阻力均有所增大，平均分别增大约8.7%和10.7%，且螺距小的多向扰流管流动阻力更大.

（3）在槽深相同的条件下，螺距减小，多向扰流管的传热性能提高、流动阻力增大.但凝汽器换热管选材首先应考虑传热性能，因此在一定范围内，为了强化传热，建议使用螺距小的多向扰流管.

（4）根据试验结果，得到了试验条件下多向扰流管的传热与阻力计算公式，为工程应用提供了一定依据.

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